軌道車輛粘接結構的強度仿真計算與分析

石 芳 ,孫瑋光 ,陶春華

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

近年來,隨著粘接技術的廣泛應用及DIN 6701標準認證體系在軌道車輛行業(yè)的普及,越來越多的車輛部件開始采用粘接來取代以往的鉚接、焊接等工藝,而在設計時保證車輛部件具有足夠的粘接強度對后續(xù)運營及修程制定至關重要,以往的粘接強度計算大多根據標準或采用近似計算來評估。本文以標準地鐵項目的前窗粘接結構為例,對典型A1級粘接接頭進行有限元分析,通過施加與線路相近的邊界載荷及進行多維度的粘接應力、應變評估,驗證粘接結構是否滿足設計要求。本文提供了一種有效、可信的有限元分析方法,為行業(yè)內的粘接強度計算提供參考。

1 結構及模型

標準地鐵統(tǒng)型的前窗粘接結構為典型的搭接接頭(圖1),膠層粘接厚度為10 mm,有效搭接長度為20 mm。端部為夾膠玻璃封邊膠與車體的對接接頭,此接頭主要起到密封防雨的作用,忽略對強度的影響,計算時不予評價。

圖1 前窗粘接結構截面示意圖

前窗材質為鋼化雙層夾膠玻璃,玻璃形狀為不規(guī)則的曲面,厚度為15 mm,最大對角尺寸取2 220 mm,玻璃采用SHELL單元模擬,粘接劑用SOLID 單元模擬。車體材質為聚酯玻璃鋼,平均厚度為10 mm以上,且內部有金屬骨架支撐,計算時將玻璃與車體間綁定并施加全約束。

2 載荷分析

2.1 溫度載荷

考慮運營過程中的實際情況,膠層溫度按照-25～45℃計算,施工工藝控制溫度為15～30℃,運行溫度與施工溫度間的最大溫差為55℃。

在粘接強度校核時除考慮溫差對膠層引起的熱膨脹的影響外,還應考慮溫度對粘接力的影響,通過在粘接樣件施加不同溫度載荷得出溫度衰減因子的變化規(guī)律,如圖2所示。

圖2 溫度衰減因子

2.2 靜載及蠕變

靜載主要為粘接件自重即玻璃自重m及車輛加速度載荷,根據BS EN 12663:2000《鐵路設備 鐵路車輛車身的結構要求》,前窗玻璃處于機車端部運行期間所受載荷最大為:垂向3g、橫向1g、縱向3g。

在長期的靜態(tài)載荷下作用下應力會呈現一定的變化規(guī)律。通過對相同結構的試樣進行固定載荷試驗,得出拉伸剪切強度與時間的關系,如圖3所示。

圖3 靜載衰減因子

2.3 動載及疲勞

車輛在運行過程中會受外界風壓的影響,前窗位于車輛端部,內外壓差與車速及線路情況均有影響。本文為驗證實際風壓數值,選取時速為120 km 速度級的地鐵在實際線路運行時的壓差測量,通過在車輛前窗部位布置位移傳感器,測得的實際壓力波如圖4所示,可見最大壓差接近1 500 Pa,計算取整P△=1 500 Pa。另外根據BS EN 12663:2000,由軌道不平順引起的車輛疲勞載荷縱向和橫向為±0.15g,垂向為1.15g。

圖4 前窗內外壓差時域變化曲線

粘接力會隨著動載荷及軌道交變載荷長時間的影響而衰減。通過對制樣施加交變載荷(最大應力為0.5 MPa、頻率為20Hz)得出粘接力的衰減系數如圖5所示。

圖5 動載衰減系數

2.4 其它載荷

在實際線路運行環(huán)境下,除溫度及載荷力的影響外,還要受到介質(如洗車劑、雨水等)及紫外線輻射的影響,在膠層直接暴露在環(huán)境中時的環(huán)境影響衰減因子fm取值為0.8(通過試驗獲取),本文考慮前窗的搭接接頭外層有密封接頭的保護,fm近似取值為1。

3 模型計算

粘接劑的最大許用值見表1。各基材的材料參數可通過查詢標準及咨詢供應商獲取。按照標準BS EN 12663:2000對模型施加加速度載荷,此處疊加軌道載荷后加速度載荷取值為:垂向4.15g、橫向1.15g、縱向3.15g,風壓載荷P△取1 500 Pa(此處取對膠層影響較大的拉伸方向載荷,沿玻璃面由車內垂直向外),載荷約束后的模型如圖6所示。根據有限元計算提取膠層的最大主應力及最大主應變,應力云圖如圖7所示,結果如表2所示。

表1 粘接劑的許用值設定

表2 前窗應力應變最大值

圖6 加載示意圖

圖7 最大主應力云圖

4 評估方法

4.1 等效應力評估

按照標準DVS 1618:2002《軌道機車車輛中的彈性厚膜粘接》計算粘接膠的許用應力,如式(1)所示:

式中:σZUI為許用應力;σch為粘接劑的強度特征值,本文以西卡膠為例,σch取值4.5 MPa;fT為溫度影響因子,55℃時取值0.6;fM為環(huán)境影響因子,取值為1;fL為靜載影響因子,取值0.8;fD為動載影響因子,疲勞次數10萬次時取值約0.2;fG為幾何影響因子,取值為1;S為安全系數,取2。

通過式(1)計算出結構膠的許用應力約為0.22 MPa。

等效應力評估:有限元計算采用Von Mises評判準則:

式中:σV為前窗馮米塞斯應力;σx、σy、σz為x、y、z方向法向應力;τxy、τxz、τyz為xy、xz、yz平面內剪切應力。

計算得出σV為0.056 MPa。

4.2 膠體變形評估

膠體變形主要為溫度變化引起的膠體變形,按照下述公式進行評估:

式中:s1為窗框在粘接方向的伸長量,s2為玻璃在粘接方向的伸長量,L0粘接面的最大跨度,T為溫度的變化,α2為玻璃的膨脹系數,α1為粘接框的膨脹系數,tanγ為許用剪切變形。

4.3 拉伸應變評估

拉伸應力引起的拉伸應變評估如下:

式中:ε為前窗拉伸應變最大值,tanγtension/compression為許用拉/壓應變20%。

4.4 剪切應變評估

剪切應力引起的剪切應變評估:

式中:γ為前窗剪切應變最大值,tanγshear為許用剪切應變50%。

根據以上計算公式計算得出各評估工況的安全系數如表3所示,安全系數一般會預留一定的設計余量,根據DVS 1618:2002,安全系數選擇S≥2。

表3 各評估校核安全系數

5 結論

(1) 本文通過對前窗粘接接頭應力、應變及膠層溫度變形等方面的評估計算,驗證了該前窗粘接結構滿足設計要求,其中溫度引起的膠體變形的安全系數最小為3.85。

(2) 邊界載荷對計算結果的影響較大,本文選取了對結構影響較大的載荷并根據實際線路工況及試驗驗證得出較接近的載荷值,提高了計算的精確度。

(3) 本文提供了一種有效、可信的粘接計算方法,對后續(xù)的粘接強度計算及評估具有一定的參考意義。